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实验：用打点计时器测速度
深入理解
理解1 打点计时器测速度的原理
打点计时器在通过它的纸带上，每隔一段相等的时间，打点记录相应的位移，从而应用速度公式测量速度.
1. 电磁打点计时器或电火花计时器的工作电源是交流电源．我们生活中交流电的频率通常是50Hz，周期是．电磁打点计时器每隔0.02s打点记录运动的轨迹，如图所示，即纸带上任何相邻两计时点的时间间隔都是0.02s.
小贴士
马路上测量汽车速度的测速仪，测速原理见本书第14页．
2. 用刻度尺测量纸带上某两个计时点间的距离，就是这两个计时点时间间隔相对应的位移，从而应用公式求出速度.
理解2 利用打点计时器测得的是什么速度？
如图所示，测量出包含E点在内的D、F两点间的位移△x和时间△t，那么：
1. 可准确计算出D、F两点间的平均速度，即
2. 可以大致表示E点的瞬时速度．D、F两点离E点越近，△t越小，根据算出的平均速度就越接近E点的瞬时速度．所以测量瞬时速度时，应尽量选取相邻最近的两个点来测量．
小贴士
x35之间的平均速度，x26之间的平均速度，比能更精确地表示打第4点时的瞬时速度．
理解3 光电门测速度的原理
如图所示，当物体在导轨上运动时，光电门利用光敏电阻的特性记录了遮光板通过光电门的时间，而遮光板的长度△x已知，并且非常小，由于滑块通过光电门的时间△t非常短，在这段时间内滑块的运动可以近似看成匀速直线运动，所以遮光板通过光电门时的瞬时速度等于遮光板通过光电门时的平均速度，即.
1．工字钢底座 2．底脚螺丝 3．滑轮 4．光电门 5．导轨 6．遮光板 7．滑块 8．缓冲弹簧 9．进气嘴
小贴士
学生实验中由数字计时器和光电门组成计时装置，数字计时器用来测量遮光板（或物体）通过光电门时的挡光时间．
理解4 速度—时间图像的意义
实验测得的速度能反映物体运动在某个时刻大致的瞬时速度或某段时间内的平均速度，但无法全面观察物体运动过程中的速度分布，不方便进行速度变化的分析．建立速度一时间图像，是一种较好的对物体运动进行分析的方法．
1. 图像的建立：①以速度v为纵轴，时间t为横轴建立直角坐标系；②根据计算出的不同时刻的瞬时速度值，在坐标系中描点；③用平滑曲线把这些点连接起来就得到了一条能够描述速度v与时间t关系的图像，即v-t图像．如图所示．
2. 物理意义：v-t图像反映的是速度随时间变化的规律．注意与x-t图像的区别．
拓展提升
拓展1 用打点计时器测速度的实验注意事项
1. 检查电源电压是否符合要求，电磁打点计时器用6V以下的学生交流电源，电火花计时器用220 V交流电源．
2. 正式实验前，应检测设备，试验一下振针是否稳定，打点是否清晰，做必要的调节，或更换复写纸等．
3. 注意纸带的安装．所用纸带宽窄要适当，应稍小于限位孔宽度；使用电磁打点计时器时，注意让纸带压在复写纸下面．使用电火花计时器时，将墨粉纸盘夹在两纸带之间．
4. 使用打点计时器时，应先接通电源，待打点稳定后，再释放纸带．
5. 释放纸带前，应使物体停在靠近打点计时器的位置；拉动纸带时要平稳，尽量不要跟限位孔边缘接触，让打出的点尽量清晰．
6. 每一次打点结束后，都要立即关闭电源．
7. 取下纸带后，及时用箭头标明运动方向．
8. 要选择点迹清晰、分布合理的纸带，选择计数点时，不一定从运动开始打出的第一个点选起，应该排除开始运动阶段密集和不均匀区域的点，使测量更加方便．
9. 使用毫米刻度尺进行测量，读数时读至mm的下一位（此位是估计值）．
拓展2 纸带分析、数据的测量与计算
分析纸带、采集数据、计算速度是本实验的常考内容，也是高中物理实验的重要内容．分析纸带时：
1. 要特别注意题目中已知的点是计时点还是计数点．计时点是打点计时器实际打出的点，相邻两点的时间间隔是T=0.02 s．由于计时点较密，不便测量，故实验者可每隔若干个计时点取一个点作为计数点，例如中间每隔四个计时点取一个计数点，每两个相邻计数点的时间间隔=5T=O.1 s．
2. 注意间隔的周期数．从能看得清的某个点数起，数一数纸带上共有多少个点，如果有n个点（计时点），那么点的间隔数为（n-1），纸带的运动时间t=0.02×（n-1）s．
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测量各段距离时，用长尺一次完成较好，不要用短尺分段测量，以减小测量误差．
例 如图所示是一条利用打点计时器打出的纸带，0、1、2、3、4、5、6是七个计数点，每相邻两个计数点之间还有四个点未画出，各计数点到0点的距离如图所示．求出各计数点的瞬时速度并画出速度—时间图像．
【解析】点1对应点0、2间的中间时刻，求出点0、2间的平均速度即可认为是点1的瞬时速度，同理点2、3、4、5的瞬时速度也可求出，相邻两计数点间的时间间隔T=0.1 s．
.
同理v2=0.40m/s，v3=0.61m/s，v4=0.69 m/s，v5=0.70 m/s．
以O点为坐标原点，横坐标表示时间，纵坐标表示速度，建立直角坐标系．
根据计算出的结果在直角坐标系中描点，然后连线得到速度—时间图像如图所示．
【答案】见解析
拓展3 用v-t图像描述物体的运动
应用图像描述物体的运动时，首先要明确坐标轴所表示的物理意义，其次要明确图像反映的物理规律，这是解题的关键．
例 如图是甲、乙两个物体运动的v-t图像，至少从以下三个方面分别说明它们的速度是怎样变化的．
(1)物体是从静止开始运动还是具有一定的初速度？
(2)速度的大小是否变化？是加速还是减速？
(3)运动的方向是否变化？
【解析】(1)v-t图像与v轴的交点坐标值表示初速度，可知甲物体有一定的初速度，乙物体的初速度为零．
(2)v-t图像反映了速度v随时间t的变化关系，由v-t图像知甲物体速度大小不变，做匀速直线运动；乙物体先加速，再匀速，最后减速运动．
(3)在t轴上方速度均为正值，即速度方向均与规定的正方向相同，甲、乙运动的方向都不改变．
【答案】见解析
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在v-t图像中，判断物体的运动方向看速度的正负，时间轴以上的图线表示物体沿正方向运动，时间轴以下的图线表示物体沿负方向运动；图线的走向仅说明加速或减速，速度增大为加速运动，速度减小为减速运动．
疑难突破
突破 熟悉应用光电门测速度的原理与方法
例 像打点计时器一样，光电计时器也是一种研究物体运动情况的常用计时仪器，其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间．现利用图乙所示装置测量速度，乙图中MN是水平桌面，PQ是长1m左右的木板，Q是木板与桌面的接触点，1和2是固定在木板上适当位置的两个光电门，与之连接的两个光电计时器没有画出．让滑块从木板的顶端滑下，光电门1、2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为5.0×10-2s和2.0×10-2s．用游标卡尺测出滑块的宽度d=5.015 cm．则滑块通过光电门1的速度v1=_________m/s，滑块通过光电门2的速度v2=_____________m/s．
【解析】滑块通过光电门1的时间t1=5.0×10-2 s，位移x1=5.015 cm=5.015×10-2m，平均速度，所以滑块通过光电门1的速度．滑块通过光电门2的时间t2=2.0×10-2s，位移x2=5.015 cm=5.015×10-2m，平均速度,所以滑块通过光电门2的速度．
【答案】1.003 2.508
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测小球下落到光电门时的瞬时速度．
，D是小球直径，△t是小球通过光电门的挡光时间．

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